尾巷負(fù)壓對(duì)采空區(qū)瓦斯涌出和自然發(fā)火影響的模擬研究

程 濤

(山西焦煤汾西礦業(yè)集團(tuán)公司 高陽(yáng)煤礦， 山西 孝義 032306)

在U型通風(fēng)的基礎(chǔ)上，增加尾巷排放瓦斯，是眾多高瓦斯礦井治理瓦斯超限的重要手段[1-2]. 增加尾巷負(fù)壓，經(jīng)尾巷截流的漏風(fēng)流也會(huì)增加，從回風(fēng)上隅角漏出的高濃度瓦斯的漏風(fēng)流將會(huì)減少，回風(fēng)巷風(fēng)排瓦斯的壓力明顯降低，同時(shí)尾巷的瓦斯?jié)舛葧?huì)顯著增高。回風(fēng)巷有較多的人員、機(jī)電設(shè)備，而尾巷是專用排瓦斯巷，因此尾巷負(fù)壓適當(dāng)增高是可行的。但隨著尾巷負(fù)壓的增高，進(jìn)風(fēng)測(cè)的漏風(fēng)強(qiáng)度會(huì)增加，對(duì)自然發(fā)火防治形成不利影響[3-4]. 如何消弱甚至消除尾巷負(fù)壓調(diào)整對(duì)自然發(fā)火防治和瓦斯治理的影響，是值得研究并解決的問(wèn)題。

1 模型的建立

1.1 采空區(qū)空隙率及滲透率

隨著工作面向前推進(jìn)和時(shí)間的推移，采空區(qū)的空隙率隨時(shí)發(fā)生變化。一般情況下，頂板巖層越堅(jiān)硬，空隙率越大；礦壓越大空隙率越小；作用時(shí)間越長(zhǎng)，空隙率就越小，反之就越大[5]. 空隙率為：

n=1-1/Kp

式中：

Kp—巖石及煤的碎脹系數(shù)。

由Blake-Kozeny公式，多孔介質(zhì)的滲透率e為：

式中：

Dm—平均調(diào)和粒徑。

上述公式為FLUENT模擬中內(nèi)部采用。

1.2 采空區(qū)模型的建立和邊界條件分析

在石港煤礦11114工作面實(shí)際測(cè)得的數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上參考文獻(xiàn)[6]建立幾何模型，數(shù)值模擬分析模型的具體參數(shù)：計(jì)算區(qū)域?yàn)樽呦蜷L(zhǎng)200 m，傾斜寬為152 m，高為70 m的六面體。采煤工作面的體積為3 m×152 m×2 m，進(jìn)、回風(fēng)順槽的體積為20 m×4 m×2 m，內(nèi)錯(cuò)尾巷的體積為20 m×2 m×2 m，內(nèi)錯(cuò)尾巷相對(duì)工作面回風(fēng)順槽的水平距離、垂直距離分別為30 m、9 m，深入采空區(qū)2 m，后高抽巷的體積為70 m×2 m×2 m，高抽巷相對(duì)與工作面回風(fēng)順槽的水平距離、垂距為60 m. 其中采空區(qū)走向取200 m是因?yàn)楣ぷ髅婊夭傻酱穗A段后，工作面早已順利度過(guò)初采期，各項(xiàng)瓦斯治理、防滅火措施的應(yīng)用均已常態(tài)，本算例研究正常回采期間的火和瓦斯的耦合關(guān)系。利用GAMBIT建立工作面三維模型，將坐標(biāo)原點(diǎn)定在模型底面左后側(cè)的頂點(diǎn)。采場(chǎng)模型見(jiàn)圖1，通風(fēng)參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1.

圖1 采場(chǎng)模型圖

表1 11114綜放面通風(fēng)參數(shù)設(shè)置表

2 尾巷負(fù)壓對(duì)采空區(qū)瓦斯涌出和自然發(fā)火的影響

為了研究尾巷負(fù)壓對(duì)采空區(qū)瓦斯涌出和自然發(fā)火的影響，采用保持進(jìn)風(fēng)量不變，對(duì)尾巷負(fù)壓進(jìn)行調(diào)節(jié)的方法，研究回風(fēng)巷、尾巷瓦斯?jié)舛群筒煽諈^(qū) “三帶”的變化規(guī)律。為了更直觀體現(xiàn)尾巷負(fù)壓的調(diào)節(jié)幅度，將其轉(zhuǎn)換為對(duì)尾巷風(fēng)量的調(diào)節(jié)，即調(diào)節(jié)回風(fēng)巷和尾巷的配風(fēng)比。進(jìn)風(fēng)巷的風(fēng)量取值，參考礦井實(shí)際供風(fēng)量，取1 800 m3/min.

2.1 尾巷負(fù)壓對(duì)采空區(qū)瓦斯涌出的影響

對(duì)尾巷配風(fēng)量為600 m3/min、700 m3/min、800 m3/min、900 m3/min、1 000 m3/min的5組數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)尾巷配風(fēng)在600～800 m3/min時(shí)回風(fēng)巷和尾巷瓦斯?jié)舛戎底兓^大，又對(duì)650 m3/min、750 m3/min兩組尾巷配風(fēng)量下的風(fēng)排瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行了模擬。部分模擬采場(chǎng)瓦斯?jié)舛饶栐茍D見(jiàn)圖2，風(fēng)排瓦斯?jié)舛入S尾巷負(fù)壓的變化數(shù)據(jù)見(jiàn)表2.

圖2 采場(chǎng)瓦斯?jié)舛饶栐茍D

表2 尾巷負(fù)壓對(duì)風(fēng)排瓦斯?jié)舛鹊挠绊懕?/p>

1) 從表2可以看到，隨著尾巷負(fù)壓的升高，回風(fēng)巷、尾巷的配風(fēng)比的降低，回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛仍谇捌谟写蠓鹊慕档停蚕镲L(fēng)量從600 m3/min到700 m3/min雖然只增加了100 m3/min，但回風(fēng)瓦斯?jié)舛葏s從0.88%降到了0.51%，0.88%很接近回風(fēng)瓦斯超限濃度1%，而0.51%則相對(duì)安全，這100 m3/min風(fēng)量的調(diào)節(jié)確保了工作面的瓦斯?jié)舛瓤刂圃诎踩秶５S著尾巷負(fù)壓的繼續(xù)升高，回風(fēng)瓦斯?jié)舛茸兓皇呛苊黠@，只有緩慢的降低。

出現(xiàn)這種情況的原因是在尾巷風(fēng)量600 m3/min時(shí)，回風(fēng)對(duì)采空區(qū)漏風(fēng)流的影響強(qiáng)度較大，此時(shí)回風(fēng)的風(fēng)排瓦斯中除了本工作面的瓦斯外，采空區(qū)從上隅角漏風(fēng)匯流入的瓦斯也占有相當(dāng)?shù)谋壤虼嘶仫L(fēng)瓦斯?jié)舛容^高。但在尾巷風(fēng)量700 m3/min時(shí)，尾巷和回風(fēng)對(duì)采空區(qū)漏風(fēng)流的影響強(qiáng)度已經(jīng)基本相當(dāng)。隨著尾巷負(fù)壓的繼續(xù)提高，尾巷對(duì)漏風(fēng)流的截流效果越來(lái)越強(qiáng)，相應(yīng)的在回風(fēng)流中來(lái)自于采空區(qū)的瓦斯越來(lái)越少，當(dāng)工作面煤壁和落煤的瓦斯涌出強(qiáng)度不變的情況下，回風(fēng)瓦斯?jié)舛葘⒉粫?huì)有大幅的降低。

2) 回風(fēng)上隅角和回風(fēng)巷的瓦斯?jié)舛茸兓?guī)律和原理相同。尾巷風(fēng)量600 m3/min時(shí)，上隅角瓦斯?jié)舛葹?.60%，嚴(yán)重超限。當(dāng)提高尾巷負(fù)壓，使尾巷風(fēng)量達(dá)到700 m3/min時(shí)，瓦斯?jié)舛冉档搅?.62%. 可見(jiàn)，提高尾巷負(fù)壓是治理上隅角瓦斯超限的有效手段。

3) 尾巷濃度隨尾巷負(fù)壓的升高出現(xiàn)先升后降的變化趨勢(shì)，并且瓦斯?jié)舛壬仙齾^(qū)段的幅度較大，而下降區(qū)段的變化幅度相對(duì)較小。在瓦斯?jié)舛壬仙齾^(qū)段，尾巷風(fēng)量變化100 m3/min，尾巷濃度卻從0.98%升到了1.53%，升高了0.55%；在瓦斯?jié)舛认陆祬^(qū)段，尾巷風(fēng)量變化300 m3/min，尾巷濃度卻從1.53%降升到了1.25%，平均尾巷每增加100 m3/min風(fēng)量，尾巷濃度下降0.09%.

出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因是，尾巷負(fù)壓升高的不同階段，在尾巷風(fēng)流中，風(fēng)量和瓦斯純量的各自變化幅度不相同。該次模擬中尾巷風(fēng)量有規(guī)律的漸增，但風(fēng)排瓦斯量卻變化較大：在尾巷負(fù)壓增高的前期，尾巷將本應(yīng)隨漏風(fēng)流到達(dá)回風(fēng)巷的采空區(qū)瓦斯大量截流，使風(fēng)排瓦斯純量增加，此時(shí)風(fēng)排瓦斯純量增加幅度大于風(fēng)量增加幅度時(shí)，尾巷濃度升高；在尾巷負(fù)壓增高的后期，采空區(qū)瓦斯漏入回風(fēng)流的量已經(jīng)很少，此時(shí)尾巷風(fēng)量增加幅度大于風(fēng)排瓦斯純量增加幅度，尾巷濃度降低。

4) 從表2可以發(fā)現(xiàn)，在尾巷負(fù)壓增加的后期，回風(fēng)巷、尾巷、上隅角的瓦斯?jié)舛榷冀档停@對(duì)瓦斯治理來(lái)說(shuō)，是一個(gè)相當(dāng)理想的狀況。在尾巷風(fēng)量750 m3/min之后，回風(fēng)巷和上隅角瓦斯?jié)舛然静蛔儯蚕餄舛冉档头茸兙彙Ｒ虼耍鲇诮?jīng)濟(jì)考慮，無(wú)需持續(xù)增加尾巷負(fù)壓。11114工作面較合理的尾巷配風(fēng)在700～800 m3/min，此時(shí)回風(fēng)巷風(fēng)量為1 100～1 000 m3/min.

2.2 尾巷負(fù)壓對(duì)采空區(qū)自然發(fā)火的影響

對(duì)尾巷配風(fēng)量從600～1 100 m3/min，每隔100 m3/min設(shè)一個(gè)參照點(diǎn)，共計(jì)對(duì)6個(gè)不同尾巷風(fēng)量下的采空區(qū)可能自燃帶范圍進(jìn)行模擬。所得數(shù)據(jù)見(jiàn)表3，回風(fēng)側(cè)可能自燃帶范圍散點(diǎn)對(duì)照?qǐng)D見(jiàn)圖3.

表3 不同風(fēng)量條件下可能自燃帶范圍模擬數(shù)據(jù)表

圖3 不同尾巷風(fēng)量下的回風(fēng)側(cè)可能自燃帶散點(diǎn)圖

1) 從表3可以看到，尾巷風(fēng)量從600 m3/min增加到800 m3/min時(shí)，整個(gè)采空區(qū)可能自燃帶范圍變化不大，其中采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)和中部范圍保持不變，回風(fēng)側(cè)范圍略有增加；當(dāng)尾巷風(fēng)量繼續(xù)增加，進(jìn)風(fēng)側(cè)和中部可能自燃帶范圍縮小，但回風(fēng)側(cè)可能自燃帶范圍增幅稍有變大。

隨著尾巷負(fù)壓的提高，尾巷風(fēng)量的增加，工作面漏入采空區(qū)的風(fēng)量有所增加，采空區(qū)的可能自燃帶范圍也隨著增加，回風(fēng)側(cè)的 “三帶”范圍應(yīng)驗(yàn)了這一規(guī)律，但在進(jìn)風(fēng)側(cè)，大量應(yīng)隨慣性進(jìn)入采空區(qū)深部的漏風(fēng)流，受尾巷負(fù)壓作用，被提前拉回，所以會(huì)出現(xiàn)進(jìn)風(fēng)側(cè)三帶范圍不增反降的情形。但這一規(guī)律并非具有普適性，該算例中尾巷距進(jìn)風(fēng)側(cè)傾斜長(zhǎng)度僅有20 m，進(jìn)風(fēng)側(cè)漏風(fēng)流受尾巷負(fù)壓影響程度較大，對(duì)于大采長(zhǎng)工作面，將會(huì)出現(xiàn)整個(gè)采空區(qū)三帶都隨尾巷負(fù)壓增加而增加的情況。

2) 模擬關(guān)注了兩道(指采空區(qū)內(nèi)進(jìn)風(fēng)側(cè)和回風(fēng)側(cè))“三帶”范圍，特別是回風(fēng)側(cè)的可能自燃帶范圍。從圖3可以看到，兩道可能自燃帶范圍不小，而且隨尾巷風(fēng)量增加，其傾斜方向上的寬度也在增加。可見(jiàn)隨著尾巷負(fù)壓的增加，應(yīng)特別注意兩道的防火。

3) 隨著尾巷負(fù)壓的提高，可能自燃帶的范圍不論進(jìn)風(fēng)側(cè)還是回風(fēng)側(cè)，都在向工作面方向靠近。這對(duì)防治自然發(fā)火是很不利的。

4) 回風(fēng)側(cè)的自然發(fā)火危險(xiǎn)性隨尾巷風(fēng)量的增加而增大，應(yīng)以回風(fēng)側(cè)可能自燃帶范圍變化情況，來(lái)確定考慮自然發(fā)火的安全合理尾巷負(fù)壓(風(fēng)量)范圍。

采空區(qū)遺煤的自然氧化通常是當(dāng)開(kāi)采時(shí)間超過(guò)煤的最短自然發(fā)火期時(shí)即自然發(fā)火。按照防治自然發(fā)火安全的要求，合理的自燃氧化帶寬度極限為：Lmax=v·t，其中,v為平均回采速度，m/d；t為最短自然發(fā)火期,天。11114綜放面的平均回采速度為v=3.0 m/d,最短自然發(fā)火期t=33 d,得到Lmax=99 m.

2.3 尾巷最佳配風(fēng)范圍的確定

1) 從瓦斯治理的角度考慮，11114工作面較合理的尾巷配風(fēng)在700～800 m3/min.

2) 從防治自然發(fā)火的角度考慮，尾巷負(fù)壓提高之后，進(jìn)風(fēng)側(cè)的漏風(fēng)量增加，增加了采空區(qū)的自然發(fā)火危險(xiǎn)性，但同時(shí)這部分漏風(fēng)流又受到尾巷高負(fù)壓的吸引，尾巷負(fù)壓抵消了部分漏風(fēng)流向采空區(qū)深部運(yùn)動(dòng)的慣性，因此，最終對(duì)采空區(qū)“三帶”的分布范圍變化不大。

3) 因此，11114工作面較合理的尾巷配風(fēng)在700～800 m3/min，此時(shí)回風(fēng)風(fēng)量為1 100～1 000 m3/min.

3 結(jié) 論

對(duì)不同尾巷配風(fēng)下的采空區(qū)瓦斯排放和可能自燃帶發(fā)展規(guī)律進(jìn)行了模擬研究。得出如下結(jié)論：

1) 隨著尾巷配風(fēng)量的增加，回風(fēng)和上隅角的瓦斯?jié)舛染蠓陆担蚕餄舛认壬蠼担?dāng)尾巷配風(fēng)量達(dá)到一定值之后，回風(fēng)和尾巷瓦斯?jié)舛韧瑫r(shí)降低。

2) 由于內(nèi)錯(cuò)尾巷對(duì)采空區(qū)漏風(fēng)流的拖拽作用，隨尾巷配風(fēng)量增加，采空區(qū)“三帶”范圍變化不是特別明顯。但采空區(qū)回風(fēng)側(cè)自然發(fā)火危險(xiǎn)性隨尾巷負(fù)壓增加而增大，出于安全考慮，回風(fēng)側(cè)可能自燃帶范圍越小越好，因此尾巷配風(fēng)量越小越好。

3) 礦井在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際中，應(yīng)通過(guò)實(shí)測(cè)或模擬得出最經(jīng)濟(jì)的配風(fēng)方案，而非盲目的越大越好。

4) 本文研究結(jié)果對(duì)“一進(jìn)兩回”(即進(jìn)風(fēng)順槽、回風(fēng)順槽、內(nèi)錯(cuò)尾巷)工作面具有一定的參考意義，但如果回采面通風(fēng)方式不同(如有高抽巷、外錯(cuò)尾巷)，則需要作進(jìn)一步研究。